曹 帥，夏 萍，馮 東，夏 權(quán)，殷宗俊

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院;2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院;3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，安徽 合肥 230000)

隨著人們生活的質(zhì)量不斷提升，農(nóng)副產(chǎn)品安全問題受到人們的愈發(fā)關(guān)注。肉制品作為餐桌上非常重要的食物，其安全性也倍受重視。肉制的品質(zhì)和顏色有著密切的聯(lián)系，肉制品在氧化腐敗過程中，隨著時(shí)間的推移，其表面的顏色和光澤會(huì)隨著肉的質(zhì)變而發(fā)生相應(yīng)的變化。［1］國(guó)內(nèi)外在利用計(jì)算機(jī)圖像處理方法對(duì)肉品新鮮度檢測(cè)方面的研究已有成效。Shiranita［2］等用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)建立牛肉顏色等級(jí)預(yù)測(cè)模型，并對(duì)牛肉品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。Go［3］等用R、G、B分量值來確定顏色級(jí)別來判定牛肉的質(zhì)量等級(jí)，通過牛肉的顏色特征對(duì)牛肉的品質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。賈淵［4］等從統(tǒng)計(jì)和理論的角度，對(duì)牛肉顏色的RGB特征進(jìn)行了分析，得出了牛肉顏色的規(guī)律。李學(xué)相［5］采用圖像和氣味采集裝置收集各種評(píng)價(jià)參數(shù)值，提出了一種基于多指標(biāo)融合的肉制品的新鮮度檢測(cè)方法。

肉制品的品質(zhì)檢測(cè)目前主要有理化分析、感官評(píng)判、計(jì)算機(jī)視覺等方法。［6］理化分析方法的結(jié)果比較客觀可信，但步驟極其煩瑣、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，非常不利于豬肉在流通過程中的快速檢測(cè)。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)檢測(cè)效率高，但受環(huán)境因素影響較大。本文采用圖像處理技術(shù)和理化分析相結(jié)合的方法對(duì)豬肉新鮮度進(jìn)行研究，提出了一種基于圖像顏色模型變化的豬肉新鮮度檢測(cè)方法。

1 樣本的選擇與采集

1.1 樣本的選擇

健康豬肉的血液和肌肉通常是無菌的，豬肉的腐敗實(shí)際上是由外界的微生物污染在其表面繁殖所致。豬肉中含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、微量元素、碳水化合物等成分，而脂肪組織是豬肉中腐敗最快成分之一，本文以脂肪組織為樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。脂肪細(xì)胞是豬肉內(nèi)的最大細(xì)胞，脂肪組織 (adipose tissue)主要由大量群集的脂肪細(xì)胞構(gòu)成，聚集成團(tuán)的脂肪細(xì)胞由薄層疏松結(jié)締組織分隔成小葉，脂類為脂肪組織中的主要成分，其中98%為甘油三酯，其余為甘油二酯、磷脂和膽固醇。

1.2 樣本的采集

實(shí)驗(yàn)所用豬肉是在正常情況下的屠宰，未經(jīng)過注水和冷凍，并且經(jīng)過衛(wèi)生檢疫部門檢驗(yàn)為合格的豬肉制品，取其新鮮臀部的肌肉和脂肪組織。用清水洗凈，瀝干，切為約1cm厚、10cm長(zhǎng)、5cm寬、制作成5個(gè)樣本。室溫置于培養(yǎng)皿中保存，讓豬肉自然腐敗。通過CDD成像設(shè)備對(duì)樣本觀測(cè)，每12h記錄一次數(shù)據(jù)。在樣品圖樣采集中使用的是型號(hào)為MV－750圖像采集卡。MV－750圖像采集卡具有獨(dú)特的圖像處理和優(yōu)化算法，圖像分辨率可達(dá)768x576。

1.3 樣本的預(yù)處理

由于采集過程收到了外界不可避免的干擾，實(shí)際得到的圖像帶有噪聲，這些噪聲對(duì)后期的出來帶來困難，并且影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在對(duì)比試用了均值濾波，高斯濾波，中值濾波，小波濾波后，最終選用了效果較好的中值濾波。然后把圖像從RGB轉(zhuǎn)換到HSV空間后計(jì)算出色調(diào)閾值進(jìn)行分割，然后采用形態(tài)學(xué)連通等操作，根據(jù)豬肉制品的紋理特征精確定位出所需區(qū)域。以上步驟均使用matlab軟件進(jìn)行操作。

2 顏色模型的選取與圖像分析

2.1 顏色模型的選取

顏色模型就是指某個(gè)三維顏色空間中的一個(gè)可見光子集，它包含某個(gè)顏色域的所有顏色。在圖像處理過程中，選擇合適的顏色模型非常重要。顏色模型可分為兩類:一類是面向硬設(shè)備的顏色空間模型，非常適合在輸出顯示場(chǎng)合使用，主要包括RGB模型和CMY模型等;另一類是面向視覺感知的顏色模型，此顏色模型與人的視覺感知非常接近，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)彩色圖像的處理和分析，此類模型主要包括HSI模型、HCV模型和HSV模型等。［7］

2.2 顏色模型

2.2.1 RGB模型

它是面向硬設(shè)備的最常用的顏色模型，它是一種與人的視覺系統(tǒng)密切相連的模型。RGB顏色模型中的R、G、B三個(gè)分量與人對(duì)顏色的感知沒有直接的聯(lián)系，其中彩色顯像管，顯示器和掃描儀用的都是RGB模型。因?yàn)樵赗GB顯示器中，電子槍發(fā)射電子，并分別激發(fā)熒光屏上的R、G、B三種顏色的熒光粉 發(fā)出不同亮度的光線，并通過相加混合產(chǎn)生各種顏色;掃描儀也是通過吸收原稿經(jīng)反射或透射而發(fā)送來的光線中的R、G、B成分，并用它來表示原稿的顏色。在RGB顏色模型中，在表示任意一點(diǎn)的顏色信息時(shí)，R、G、B三個(gè)分量都不可缺少。如果添加描述的點(diǎn)的數(shù)量增加時(shí)，信息量同樣也會(huì)增加3倍，這樣就大大加大了信息量，從而使得后續(xù)的處理變得十分復(fù)雜。

2.2.2 HSI模型

HSI色彩空間是從人的視覺系統(tǒng)出發(fā)，用色調(diào)、色飽和度和亮度來描述色彩。人眼對(duì)色彩的感知包括兩個(gè)方面，即色彩的顏色 (色度)和色彩的純度 (飽和度)。由于人的視覺對(duì)亮度的敏感程度遠(yuǎn)強(qiáng)于對(duì)顏色濃淡的敏感程度，為了便于色彩處理和識(shí)別，人的視覺系統(tǒng)經(jīng)常采用HSI色彩空間，它比RGB色彩空間更符合人的視覺特性。在圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺中大量算法都可在HSI色彩空間中方便地使用，它們可以分開處理而且是相互獨(dú)立的。因此，在HSI色彩空間可以大大簡(jiǎn)化圖像分析和處理的工作量。HSI色彩空間和RGB色彩空間只是同一物理量的不同表示法，因而它們之間存在著轉(zhuǎn)換關(guān)系色調(diào)和飽和度統(tǒng)稱為色度，通常以0表示黑色，256表示白色。

3 圖像的分析

3.1 肉品顏色感官變化

消費(fèi)者購(gòu)買肉制品一般會(huì)選擇顏色鮮艷，光澤均勻且有明顯大理石紋分布的肉制品。肉制品的顏色主要受肌紅蛋白(Mb，約占70% －80%)和血紅蛋白(Hb，約占20% －30%)影響。隨著這兩種蛋白存在狀態(tài)的不同，肉制品的顏色也隨之改變。當(dāng)紫紅色的肌紅蛋白與氧分子反應(yīng)，形成相對(duì)穩(wěn)定的氧合肌紅蛋白(MbO2)呈亮紅色時(shí)，肉制品為新鮮肉;當(dāng)肌紅蛋白和氧合肌紅蛋白都被氧化成褐色的高鐵肌紅蛋白時(shí)，肉制品的顏色變暗，表明肉品不再新鮮。肉品在物理和化學(xué)兩方面作用下從新鮮到變質(zhì)，最終會(huì)出現(xiàn)肉質(zhì)疏松、pH值下降、水分滲出等現(xiàn)象。

3.2 肉品圖像分析

將原始圖像轉(zhuǎn)化為彩色圖像，分別從RGB(0－256)和HIS(0－256)兩個(gè)方面比較，分析肉制品從新鮮到腐敗的過程中其顏色變化。圖1為實(shí)驗(yàn)開始時(shí)各分量的數(shù)值，從圖中可以看出:R分量的灰度值在220左右大、頻數(shù)大，G、B灰度值在150左右、頻數(shù)在1000左右;表明樣品的豬肉顏色較紅、肉質(zhì)較瘦。H分量的灰度值在22左右、頻數(shù)大，S、I分量的灰度值在60、22左右，表明樣品的色調(diào)較暗。

3.3 肉品圖像變化

圖2、圖3為每隔12小時(shí)各分量的變化趨勢(shì)圖，數(shù)據(jù)分為五組。從圖中可以看出:(1)R、G、B分量灰度值變化趨勢(shì)相同，R、G、B分量灰度值變小，R的變化幅度為0.7% －7%，總體變化不大。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)肉品的RGB波峰峰值減低時(shí)肉品品質(zhì)開始變差，當(dāng)波峰明顯減小時(shí)肉品已腐壞。(2)H、S、I分量灰度值變化較為復(fù)雜，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，H分量變化較為平緩、S值增加、I值減小，其中S值變化最大，變化幅度為8.8%－23.14%。肉品品質(zhì)變壞一般先從脂肪多的地方開始，白色的脂肪變?yōu)辄S色，其飽和度 (S)也變大。因此，用S值的變化來表征肉品變質(zhì)是可行的。

圖1 實(shí)驗(yàn)開始時(shí) (0小時(shí))各分量數(shù)值圖像Fig.1 At the beginning of the experiment(0 hours)of each component of the numerical image

圖2 每隔12小時(shí)各分量 (RGB、HSI)數(shù)值圖像Fig.2 The component(RGB、HSI)of the numerical image of each 12 hours

圖3 各分量變化趨勢(shì)Fig.3 The change trend of each component

3.4 肉制品新鮮度的測(cè)定

揮發(fā)性鹽基氮是衡量肉品新鮮度的重要指標(biāo)，動(dòng)物性食品由于酶和細(xì)菌的作用，在腐敗過程中，使蛋白質(zhì)分解而產(chǎn)生氨以及胺類等堿性含氮物質(zhì)。［8］此類物質(zhì)具有揮發(fā)性，可以從堿性溶液中蒸出，然后通過標(biāo)準(zhǔn)酸溶液滴定的方法計(jì)算其含量。測(cè)定豬肉新鮮度一般選用國(guó)標(biāo)GBT5009.44－2003《肉與肉制品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的分析方法》，即半微量定氮法。［9］表1為揮發(fā)性鹽基氮測(cè)定結(jié)果:樣品肉第一組 (0小時(shí))，測(cè)定TVB－N值為7.56mg/100g，為新鮮肉;第二組 (12小時(shí))，S值的變化幅度為8.8%，測(cè)定TVB－N值為15.71mg/100g，品質(zhì)開始變化為次新鮮肉;第三組 (24小時(shí))，S值的變化幅度為14.5%，測(cè)定TVB－N的值為29.22mg/100g，測(cè)定值＞25mg/100g，開始肉品已變質(zhì)。結(jié)果表明此化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖像分析的是一致的。

表1 揮發(fā)性鹽基氮測(cè)定結(jié)果Tab.1 The determination results of TVB－N value

4 結(jié)束語(yǔ)

豬肉在腐敗過程中，RGB顏色空間變化不明顯，HSI顏色空間變化明顯;隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，S值變化較大，變化幅度為8.8% －23.14%;肉品品質(zhì)變壞一般先從脂肪多的地方開始，白色的脂肪變?yōu)辄S色，其飽和度也變大。

通過對(duì)新鮮級(jí)豬肉的RGB及HSI的量化分析，并與揮發(fā)性鹽基氮方法對(duì)新鮮豬肉檢驗(yàn)的比較，用S值的變化來標(biāo)定肉品新鮮度是可行的。

［1］萬碩.肉品質(zhì)量安全控制體系的建立及其品質(zhì)分級(jí)研究［D］.合肥:安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012

［2］ Shiranita K，Hayashi K，Otsubo A，et al.Grading meat quality by image processing［J］.Pattern Recognition，2000，1(33):97－105

［3］ Go I MV，Beriain MJ，Indurain G，et al.Predicting longissimus dorsi texture characteristics in beef based on early post－mortem colour measurements［J］.Meat Sci，2007，76:38 －45

［4］賈淵，湯曉艷，姬長(zhǎng)英.牛肉顏色的RGB特征［J］.食品科學(xué)，2004，25(7):86 －89

［5］李學(xué)相.基于多指標(biāo)融合的豬肉新鮮度智能檢測(cè)方法［J］. 計(jì)算機(jī)仿真，2012，9(29):224－227

［6］王長(zhǎng)遠(yuǎn)，馬萬龍，姜昱男.豬肉新鮮度的檢測(cè)及肉質(zhì)綜合評(píng)定［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工，2007，(10):75－80

［7］ Gonzalez R C，Wood R E.Digital Image Processing［M］.Reading，MA:Addison － Wesley，1992

［8］王天佑，王玉娟，秦文.豬肉揮發(fā)性鹽基氮值指標(biāo)與其感官指標(biāo)的差異研究［J］.食品工業(yè)科技，2007，(12):123－127

［9］中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部.肉與肉制品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的分析方法［S］.GBT5009.44 －2003，2003